Uni Fakultäten Fk. V Chemie OC - Metzger Forschung  

Forschungsschwerpunkte

Unsere Forschungsschwerpunkte verteilen sich von der Fachsystematik der Chemie her gesehen auf drei Forschungsgebiete, die auf den ersten Blick weit auseinanderliegen, aber unter dem übergeordneten Gesichtspunkt „Konzepte zum Beitrag der Chemie zu einer Nachhaltigen Entwicklung“ miteinander in enger Beziehung stehen und sich gegenseitig befruchten.

Umweltverträgliche organische Synthesen von nachhaltigen Produkten unter Nutzung von Ölen und Fetten als nachwachsende Rohstoffe für die Chemie.

Massenspektrometrische Untersuchungen von Reaktionen in Lösung und von Biopolymeren.

Selektivität von Radikalreaktionen.

Konzepte zum Beitrag der Chemie zu einer Nachhaltigen Entwicklung.

Eine nachhaltige Entwicklung ist das Leitbild dieses Jahrhunderts. Ihre Prinzipien sind in der „Erklärung von Rio zu Umwelt und Entwicklung“ von 1992 – der „Rio-Deklaration“ – eindeutig formuliert und in der Agenda 21, dem von mehr als 170 Staaten verabschiedeten Arbeitsprogramm für das 21. Jahrhundert konkretisiert und auf dem „Weltgipfel für nachhaltige Entwicklung“, der im September 2002 in Johannesburg stattfand, fortgeschrieben. (http://www.un.org/esa/sustdev). Ein zentrales Thema ist die Erhaltung und Bewirtschaftung der Ressourcen für die Entwicklung. Dazu müssen die Wissenschaften einen wesentlichen Beitrag leisten. Die Wissenschaftler sind aufgefordert, ihre Forschungsthemen aus dem riesigen Katalog der zu lösenden Probleme, die in der Agenda 21 genannt sind, zu entwickeln. Das gilt natürlich auch und ganz besonders für die Chemie. Unser grundlegendes Konzept zum Beitrag der Chemie zu einer nachhaltigen Entwicklung  wurde in einem wichtigen und interdisziplinären Aufsatz in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (Angew. Chem. 2002, 114, 402 – 425) –alle hier genannten Publikationen sind auf der Homepage der Arbeitsgruppe zugänglich - dargestellt.      

Umweltverträgliche organische Synthesen von nachhaltigen Produkten unter Nutzung von Ölen und Fetten als nachwachsende Rohstoffe für die Chemie.

Ein Ziel der Agenda 21 ist die Förderung der umweltverträglichen Nutzung erneuerbarer natürlicher Ressourcen. Wir untersuchen die chemische Nutzung von Pflanzenölen. Ölsäure, Erucasäure, Petroselinsäure und andere Fettsäuren, die in relativ großer Reinheit aus Pflanzenölen zu gewinnen sind, und die entsprechenden nativen Öle werden unter Nutzung der modernen Synthesemöglichkeiten insbesondere durch Reaktionen an der C,C-Doppelbindung vielfältig modifiziert. Damit werden die Eigenschaften verändert. Die neuartigen Fettstoffe werden auf ihr Anwendungspotential untersucht. Einen Überblick gibt der Aufsatz „Neue Synthesen mit Ölen und Fetten als nachwachsende Rohstoffe für die chemische Industrie“ (Angew. Chem. 2000, 112, 2292 – 2310). Gegenwärtig arbeiten wir auf diesem Gebiet an der Synthese von neuen enantiomerenreinen Fettstoffen, die sehr interessante Anwendungen erwarten lassen, unter Nutzung von chiralen Pflanzenölen wie Ricinusöl und Vernoniaöl. Eine erste Arbeit auf diesem Gebiet ist gerade fertiggestellt (  Eur. J. Org. Chem. 2003, im Druck). Synthesen mit unterschiedlichen chiralen Pflanzenölen werden in den nächsten Jahren einen Schwerpunkt unserer Arbeiten darstellen.

Die Agenda 21 fordert „Kriterien und Verfahren zur Prüfung der Umweltverträglichkeit und des Ressourcenverbrauchs während des gesamten Produktzyklus und des Produktionsprozesses“ zu erarbeiten. Wir haben zum quantitativen Vergleich von chemischen Synthesen im Hinblick auf Ressourcenverbrauch und Umweltverträglichkeit eine einfache Methode entwickelt, die mit dem Programm EATOS ( Environmental Assessment Tool for Organic Syntheses) leicht im Labor und bereits im Praktikum durchgeführt werden kann (Download von unsrer Homepage; Chem. Eur. J. 2002, 8, 3580 – 3586). EATOS wird weiterentwickelt und mit der zunehmenden Nutzung eine umfangreiche Datenbank zur Beurteilung von Reaktionen werden.

Die umweltverträglich synthetisierten Produkte müssen auch umweltverträglich vom Anwender weiterverarbeitet werden können. Deshalb beschäftigen wir uns u.a. mit der Entwicklung von Lackrohstoffen aus nativen Pflanzenölen, die ohne Verwendung von organischen Lösungsmitteln, die als „volatile organic chemicals“ (VOCs) eine wesentliche Ursache des Sommersmogs sind, verarbeitet werden können.
Die Agenda 21 fordert eine Neuausrichtung der Ausbildung auf eine nachhaltige Entwicklung. Wir arbeiten mit an der Entwicklung eines „Nachhaltigen organischen Praktikums“ (NOP), zu dem wir insbesondere lösungsmittelfreie Synthesen und Synthesen mit nachwachsenden Rohstoffen beigetragen haben.  Das Praktikum wird 2003 im Internet zur Verfügung stehen.

Massenspektrometrische Untersuchungen von Reaktionen in Lösung und von Biopolymeren.

Neuentwickelte massenspektrometrische Ionisierungsmethoden wie die chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) und insbesondere die Elektrospray-Ionisation (ESI) erlauben die direkte massenspektrometrische Untersuchung von Lösungen. Die hohe Empfindlichkeit und der große dynamische Bereich der Massenspektrometrie machen diese Methoden zu einem idealen Werkzeug zur direkten Untersuchung von Reaktionen in Lösung und zum Nachweis von reaktiven Zwischenstufen. So konnten wir erstmals bei präparativ wichtigen Radikalreaktionen in Lösung, die intermediären Radikale direkt nachweisen (Angew. Chem. 2002, 114, 2863 – 2866). Für diese Arbeit steht uns ein Massenspektrometer Finnigan MAT LCQ-LC/MS System zur Verfügung. Weiterhin haben wir beispielsweise die heterolytische Dissoziation von Kohlenstoff-Heteroatombindungen, die den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt von S_N1- und E1-Reaktionen darstellt, untersucht. Die Arbeit wird auf weitere reaktive Zwischenstufen, insbesondere bei homogen-katalytischen Reaktionen in Lösung ausgeweitet. Damit wollen wir eine Methode zur effektiven Entwicklung von Katalysatoren und für das schnelle Testen geringster Katalysatormengen für eine Vielzahl an Substraten zur Verfügung stellen. Eine solche Methode ist für eine nachhaltige Entwicklung von großer Bedeutung. Diese Arbeiten werden einen weiteren Schwerpunkt in den nächsten Jahren darstellen. Weiterhin untersuchen wir mit neuen massenspektrometrischen Methoden wie der Matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Massenspektrometrie (MALDI-MS) und auch der ESI-MS Biopolymere – insbesondere Polysaccharide und Lignine, die als nachwachsende Rohstoffe von großer Bedeutung sind – mit dem Ziel, diese Makromoleküle unzerstört nachzuweisen, Strukturinformationen zu erhalten und ihr Molekulargewicht und die Molekulargewichtsverteilung zu bestimmen. Für unsere Arbeiten steht ein Laserdesorptionsmassenspektrometer REFLEX III ^TM (Bruker Daltonik GmbH) zur Verfügung.

Selektivität von Radikalreaktionen.

Radikalreaktionen sind von großer Bedeutung in der Synthese. Untersucht werden die Selektivität radikalischer Elementarreaktionen wie Addition, Fragmentierung und Wasserstoffabstraktion. Von größtem aktuellen Interesse ist die Untersuchung der Stereoselektivität und insbesondere der Enantioselektivität intermolekularer radikalischer Reaktionen und deren Einsatz in der Synthese. Es ist uns gelungen, erstmals enantioselektive Reaktionen zu realisieren, bei denen ein chirales Reagenz – ein neues Zinnhydrid – zwischen den enantiotopen Seiten des prochiralen Radikals in diastereomeren Übergangszuständen differenziert (Angew. Chem.1997, 107, 245 – 247). Weiterhin haben wir die 1.3-Stereoinduktion bei radikalischen Additions- und Atomtransferreaktionen untersucht und beobachteten bemerkenswerte Stereoselektivitäten( J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12458-12468). Bei diesen Untersuchungen haben wir Zinnhydride eingesetzt, die toxisch sind. Ein Ziel ist die Substitution durch nichttoxische Reagenzien. Hohe Selektivität, bei einfacher Reaktionsführung und einfacher Aufarbeitung mit Reagenzien möglichst geringer Toxizität ist ein wichtiges Ziel für umweltverträglichere Synthesen.

Die Arbeiten wurden und werden außer von der Universität Oldenburg durch verschiedene Forschungsförderungsorganisationen umfangreich gefördert und zum großen Teil in Kooperation mit unterschiedlichen Arbeitsgruppen im In- und Ausland durchgeführt.